La vallée de stabilité

Émissions bêta : s’alléger pour acquérir de la stabilité …

La masse du noyau est reliée à son énergie interne par la relation d’Einstein. Elle détermine sa stabilité. L’élément le plus stable d’une série de noyaux comportant le même nombre de nucléons est celui dont la masse est la plus petite. La famille de noyaux comportant 127 nucléons montre la relation entre masse et stabilité. L’élément stable en est le noyau d’iode-127, avec 53 protons et 74 neutrons. Cette répartition correspond à la plus petite masse des noyaux de la famille.

La courbe de masse en fonction du nombre de protons a l’allure d’une parabole. Considérons sur le flanc gauche, l’isotope de l’étain Sn-127 contenant 3 neutrons de plus que l’iode-127 stable et 3 protons de moins soit 50 protons et 77 neutrons.

En raison de ces neutrons supplémentaires, cet isotope possède un excédent d’énergie interne par rapport à l’iode-127.

La nature fait appel aux forces dites « faibles » pour transformer des neutrons en protons. La transformation, s’accompagne de la production d’un électron et d’un antineutrino  . C’est un processus difficile, relativement lent, mais économique en énergie.

L’énergie nécessaire à la création d”un électron et d’un antineutrino est prélevée sur la différence des énergies de masse du noyau père et du noyau fils. Elle doit être supérieure à la somme des énergies de masse de l’électron et de l’antineutrino. La masse de l’antineutrino étant nulle, cette somme se réduit à l’énergie de masse de l’électron, 0,511 MeV. Pour le noyau, une désintégration bêta ne coûte que 0,511 MeV (510 000 électronvolts) beaucoup moins que les 7 à 8 millions d’électronvolts (MeV) requis pour l’expulsion d’un neutron, le processus concurrent.

L’énergie dégagée par la transformation du noyau doit dépasser ce seuil de 0,51 MeV pour se produire, une condition vérifiée dans le cas du fort excès de neutrons du noyau d’étain 127 de la figure. Ce noyau à 77 neutrons se transforme donc en antimoine (76 neutrons), puis en Tellure (75 neutrons) avant d’aboutir à l’isotope stable à 74 neutrons. Les émissions d’électrons, d’abord très rapides, se ralentissent à mesure que l’on se rapproche de l’équilibre.

En partant de l’autre flanc de la parabole (noyau de baryum Ba-127), on observe une cascade de transformations de protons en neutrons, avec l’expulsion d’électrons positifs (positons) et de neutrinos. Le scénario est général quel que soit le nombre de nucléons. Si on ajoute comme troisième dimension à la carte des noyaux, l’énergie de masse divisée par le nombre de nucléons, la surface obtenue prend l’aspect d’une profonde vallée appelée vallée de stabilité , au fond de laquelle se retrouvent les noyaux les plus stables.

Un des flancs de la vallée est peuplé par des noyaux radioactifs émetteurs d’électrons, l’autre par des noyaux émetteurs de positons. Au-delà de 208 nucléons, l’élément le plus stable devient lui-même instable. Les noyaux deviennent trop lourds. C’est le domaine de la radioactivité alpha.

Vidéo CEA – Vallée de Stabilité : durée 14 minutes.

Les 7 premières minutes introduisent la carte des noyaux, la vallée de stabilité et les domaines de radioactivité alpha et bêta. Les 2 minutes 30 suivantes sont consacrées à la synthèse des noyaux : “le creuset stellaire”. La fin de la vidéo présente la vision moderne du noyau des physiciens.